このプロトコルは、SMAおよびColQ関連のCMSのマウスモデルの病理学的変化を定量化するために使用される共焦点顕微鏡とSTED顕微鏡の組み合わせによる神経筋接合部の形態測定分析の方法を説明しています。
神経筋接合部(NMJ)は、下位運動ニューロンと骨格筋線維の間の高度に特殊化されたシナプスであり、神経系から随意筋への分子の伝達に不可欠な役割を果たし、収縮につながります。それらは、デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)、先天性筋無力症候群(CMS)、脊髄性筋萎縮症(SMA)、筋萎縮性側索硬化症(ALS)などの遺伝性神経筋障害を含む多くの人間の病気に罹患しています。したがって、疾患モデルマウスにおける神経筋接合部の形態とその変化を監視することは、病理学的研究および治療アプローチの前臨床評価のための貴重なツールとなります。ここでは、マウスからかわれた筋線維から運動エンドプレートのシナプス前およびシナプス後の部分の3次元(3D)形態を標識および解析する方法について説明する。共焦点イメージングによるNMJの体積、面積、曲がり角、軸索終末の形態/占有率、および超解像誘導放出枯渇(STED)顕微鏡によるシナプス後接合襞とアセチルコリン受容体(AChR)の縞幅間の距離をサンプルを準備して測定する手順を詳しく説明します。これらのNMJパラメータの変化は、SMAおよびCMSの影響を受けた変異マウスにおいて例示される。
神経筋接合部(NMJ)は、運動軸索終末、シナプス周囲シュワン細胞、骨格筋線維部分からなる複雑な構造であり、化学情報の伝達と運動ニューロン活動の低下と筋肉収縮の結合に関与しています。哺乳類では、神経筋接合部の形態は発生中に変化し、成熟後に典型的なプレッツェルのような形状を採用し、種間で形状と複雑さに違いがあり、運動や老化などの生理学的プロセスに応じてある程度の可塑性を示します1,2,3,4 .シナプス後運動終板は、接合襞と呼ばれる膜陥入を形成し、アセチルコリン受容体(AChR)を含む上部がシナプス前末端軸索枝5と密接に接触している。
神経筋接合部の形態学的および機能的変化は、脊髄性筋萎縮症(SMA)および筋萎縮性側索硬化症(ALS)、デュシェンヌ型筋ジストロフィー(DMD)、先天性筋無力症候群(CMS)、重症筋無力症(MG)および中心核ミオパチー(CNM)、および加齢関連サルコペニアなどのいくつかの神経変性疾患の病態生理に寄与します3,6,7,8,9、10、11、12。これらの疾患では、エンドプレートの断片化、シナプス後接合襞サイズの減少、および/または除神経などのNMJ構造変化が観察されます。NMJの病理は、疾患進行中の一次的または初期のイベントであるか、臨床症状に寄与する二次的なイベントとしてより最近現れる可能性があります。いずれにせよ、これらの疾患の動物モデルにおけるNMJの形態をモニタリングすることは、病理学的変化を研究し、潜在的な治療の有効性を評価するための貴重なパラメータを表しています。
神経筋接合部の形態は、通常、共焦点顕微鏡2,13,14,15または電子顕微鏡5,16を使用する技術によって分析され、分解能や技術的困難などの固有の制限があります。最近では、電子顕微鏡による超微細構造解析の代替的または補完的なアプローチとして、シナプス前活性ゾーンやシナプス後膜上のAChR分布など、NMJの特定の領域を視覚化するために超解像顕微鏡法も使用されました16,17,18。
このプロトコルは、蛍光共焦点顕微鏡と誘導放出枯渇(STED)顕微鏡を組み合わせることにより、NMJ形態学的パラメータを評価するための詳細で再現性のある方法を提供することを目的としています。マウス腓腹筋および前脛骨筋の神経支配されたからかい筋線維における体積、面積、相対的屈曲率、AChRストライプ幅、軸索終末分布などのシナプス前およびシナプス後エンドプレートの重要な特徴は、正常および罹患状態の状況で定量化されました。特に、先天性筋無力症候群のモデルとして、SMN1遺伝子の変異によって引き起こされる運動ニューロン変性を伴う神経筋疾患である脊髄性筋萎縮症のSmn2B/-マウスモデル11,19、および不斉アセチルコリンエステラーゼノックアウト(ColQ Dex2/Dex2またはColQ-KO)マウスのコラーゲン様尾部サブユニットにおいて、NMJ欠損が例示されました20。21,22。
記載されたビデオプロトコルは、シナプス前およびシナプス後レベルで病理学的変化を特徴付けるために使用できる共焦点顕微鏡およびSTED顕微鏡を組み合わせることによって、神経筋接合部の3D構造を定量化する詳細な方法を提供する。高解像度のSTED顕微鏡により、従来の共焦点イメージングでは識別できないナノ構造の視覚化と形態測定分析が可能になります。この手順により、SMAおよびColQ関連のCMSマウスの2つの虫垂筋( 前脛骨筋 と 腓腹筋)におけるNMJの構造変化を測定することができました。
この技術で信頼できる結果を得るには、筋肉を取り巻く筋膜と筋肉束を分離するための適用された強度に特に注意を払いながら、筋肉を適切に解剖していじめることが重要です。そうしないと、神経支配パターンが混乱し、シナプス前NMJの適切な評価が妨げられる可能性があります。TAおよびGAからのNMJを分析するための詳細な情報が提供されていますが、原則として、このプロトコルは、横隔膜や 腹横筋37など、からかいステップを必要としない扁平筋を含む他の筋肉に適応させることができます。組織固定は、高品質の染色を確実にするためにも重要です。したがって、適切な量(筋肉の15〜20倍)で高品質のPFAを使用することをお勧めします。さらに、固定液への暴露時間は、収縮や凝集などのアーチファクトが過剰固定によって現れ、NMJ機能に影響を与える可能性があるため、重要なステップです。サンプルのサイズと組織38へのパラホルムアルデヒド溶液の浸透速度を考えると、このタイプの筋肉には18〜24時間の固定時間が推奨されます。組織採取後1週間以上染色工程が計画されている場合は、細菌の増殖を防ぐために、アジ化ナトリウムを添加したPBS中のPFA固定筋肉を4°Cに保つことをお勧めします。
このプロトコルは、共焦点にα-BTX-F488を使用し、STEDイメージングにα-BTX-F633を使用するアプローチを提示します。これらの蛍光色素は、記載された実験デザインに適合するように選択されましたが、利用可能な機器や材料に応じて変更することができます。たとえば、画像の取得と定量にSTED CW 592 nmレーザーを使用する場合、α-BTX F488標識を選択できます。しかし、本研究で適用された構成(パルス励起ゲートSTED、775nmの枯渇)は、連続波STED39などの他のアプローチよりも高い性能と優れた分解能を示し、現在のアプリケーションにより適しているようです。また、特にSTED(励起と空乏の両方)の場合、強度プロファイルの特性は飽和状態の場合には測定できず、NMJ画像内の飽和信号は分析全体を危険にさらす可能性があるため、レーザー出力設定を慎重に選択することも重要です。
顕微鏡ソフトウェアとImageJマクロを使用した画像取得と分析を含むこの詳細なワークフローは、単一の筋肉からの共焦点およびSTED顕微鏡による自律的なNMJ形態測定分析を容易にするために開発されました。NMJモルフ2 やNMJアナライザー14など、NMJ共焦点分析のワークフローは、NMJの形態素解析と比較研究を容易にする半自動法の設計への道を開いた。NMJ-morph(およびその更新版aNMJ-morph15)は、最大強度投影を使用して21の形態学的特徴を測定する無料のImageJベースのプラットフォームであり、NMJ-Analyzerは、3D NMJ構造全体から29の関連パラメータを生成するPythonで開発されたスクリプトを使用します。手動閾値は、ユーザー分析を必要とするこれら2つの方法の画像処理中の唯一のステップです。この統合プロトコルは、組織調製、3D共焦点画像取得、および骨格筋全体からのNMJのImageJベースの処理の手順を詳述し、シナプス後(体積、最大投影面積、および曲がり角)およびシナプス前(軸索終末占有率およびニューロフィラメント蓄積)エンドプレートの5つの重要なパラメーターの簡単な概要を提供します。生物学的関連性の追加パラメータであるシナプス後接合襞のAChR組織パターンは、超解像STED顕微鏡(分解能20-30 nm)によるナノスケールレベルでの形態測定分析のために組み込まれました40。興味深いことに、STEDイメージングのための組織調製は、従来の透過型電子顕微鏡(TEM)9などのNMJ微細構造研究に使用される他の方法よりも単純であり、適切な筋肉領域の超薄切片を得るために熟練したマニピュレータを必要とするかなり複雑で時間のかかる手順です。さらに、STED関連ソフトウェアを使用して、複数の接合折り目からの定量データを自動的に取得できます。
このプロトコルは、SMNおよびColQ欠損筋における以前に知られているNMJの欠陥を説明するために適用されました20、36、41、42。共焦点顕微鏡検査によって、シナプス後終板体積、MIP面積、相対的な屈曲率の減少、ニューロフィラメント蓄積の増加など、2つのマウスモデルに共通の変化が見られましたが、いくつかのより具体的な所見(NMJ占有率の低下)は、小胞輸送障害の指標としてSMAマウスでのみ観察されました36。最後に、TEM20で以前に観察されたように、シナプス後接合襞の超微細構造欠陥の兆候であるSTED分析によってColQ-KOでAChRストライプの距離と幅の増加が検出されました。重要なことに、このプロトコルは、発生中、維持中、およびさまざまな病理学的条件下での神経筋接合部のより詳細な形態学的特徴付けに役立つ可能性があります。
The authors have nothing to disclose.
Genethonの「イメージングおよびサイトメトリーコアファシリティ」と、イルドフランス地域、コンセイユジェネラルドレソンヌ、エブリーのジェノポールルシェルシュ、エブリーヴァルデソンヌ大学、フランスのINSERMからの機器資金によって部分的にサポートされている組織学サービスに感謝します。また、Smn 2B/2Bマウスラインを提供してくださったRashmi Kothary博士(カナダ、オタワ大学)とColQDex2/+マウスラインを提供してくださったEric Krejci博士(未発表、パリ大学、フランス)にも感謝しています。統計分析におけるギヨーム・コレの支援に感謝します。2H3(Jessel, T.M.およびDodd, J.によって開発された)およびSV2(Buckley, K.M.によって開発された)モノクローナル抗体は、NIHのNICHDによって作成され、アイオワ大学生物学部、アイオワシティ、IA 52242で維持されているDevelopmental Studies Hybridoma Bank(DSHB)から入手した。この研究は、フランセーズ・コントレ・レ・ミオパシー協会(AFM-Telethon)、INSERM、エヴリー・ヴァル・デソンヌ大学の支援を受けました。
Buffers and Reagents | |||
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (F488) | Life Technologies, Thermofisher | A-11001 | |
Alexa Fluor 488 α-bungarotoxin (F488-a-BTX) | Life Technologies, Thermofisher | B13422 | |
Alexa Fluor 594 goat anti-mouse IgG (F594) | Life Technologies, Thermofisher | A-11032 | |
ATTO-633 α-bungarotoxin (F633-a-BTX) | Alomone Labs | B-100-FR | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A2153 | |
DAPI Fluoromount-G | Southern Biotech | 00-4959-52 | |
DPBS | Gibco, Invitrogen | 14190-169 | |
Ethanol Absolute | VWR | 20821.296 | |
Immersion Oil, n = 1.518 | THORLABS | MOIL-10LF | Low autofluorescence |
Neurofilament (NF-M) antibody | DSHB | AB_531793 | |
Paraformaldehyde (PFA) | MERCK | 1.04005 | |
Synaptic vesicle glycoprotein 2 (SV2) antibody | DSHB | AB_2315387 | |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
Materials | |||
Alnico Button cylindrical magnets | Farnell France | E822 | diameter of 19.1 mm with maximal pull of 1.9 Kg |
63x 1.4 NA magnitude oil immersion HCX Plan Apo CS objective | Leica Microsystems | ||
100x 1.4 NA HC PL APPO CS2 Objective | Zeiss | ||
Curved thin forceps-Moria iris forceps | Fine Science Tools | 11370-31 | |
Extra thin scissors – Vannas-Tübingen Spring Scissors | Fine Science Tools | 15-003-08 | |
Fine serrated forceps | Euronexia | P-95-AA | |
Gel loading tip round 1-200 µL | COSTAR | 4853 | |
Leica laser-scanning confocal microscope TCS SP8 | Leica Microsystems | ||
Leica Laser-scanning confocal microscope TCS SP8 Gated STED 775 nm | Leica Microsystems | ||
Lens Cleaning Tissue | Whatman (GE Healthcare) | 2105-841 | |
Medium serrated forceps | Euronexia | P-95-AB | |
Microscope cover glasses 24×50 nm No 1.5H 170±5 µm | Marienfield | 107222 | High precision |
Nunclon delta surface (12-well plates) | Thermo Scientific | 150628 | |
Nunclon delta surface (24-well plates) | Thermo Scientific | 142475 | |
Safeshield scalpel | Feather | 02.001.40.023 | |
Sharp-blunt scissors – fine Scissors – Martensitic Stainless Steel | Fine Science Tools | 14094-11 | |
Superfrost plus slides | Thermo Scientific | J1800AMNZ | |
Software | |||
GraphPad | Prism, San Diego (US) | Release N°6.07 | Statistical software |
ImageJ software | National Institutes of Health | Release N° 1.53f | |
Leica Application Suite X software | Leica Microsystems | Release N°3.7.2.2283 | Free microscope software available at https://www.leica-microsystems.com/products/microscope-software/p/leica-las-x-ls/downloads/ |